本發(fā)明主要涉及到水下仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型。

背景技術(shù)：

目前對(duì)BCF類(lèi)魚(yú)的游動(dòng)機(jī)理研究表明：1.魚(yú)脊柱上附有肌肉組織，牽動(dòng)魚(yú)尾在水中擺動(dòng)，產(chǎn)生逆卡門(mén)渦街，利用其產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)魚(yú)體前進(jìn)；2.魚(yú)尾部分脊柱周?chē)植?塊大的肌肉群，在魚(yú)游動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)自身的緊繃程度來(lái)變化魚(yú)尾的剛度，由于不同的游動(dòng)速度需要不同的剛度以使身體的自然頻率與尾部擺動(dòng)頻率達(dá)到匹配，從而大大地降低能量消耗；3.脊柱周?chē)?塊肌肉群可以通過(guò)收縮自身來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)尾的各個(gè)方向彎曲，產(chǎn)生較大的沖量，實(shí)現(xiàn)了魚(yú)在游動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)向、逃逸、高速巡航等多種動(dòng)作，減小了轉(zhuǎn)彎半徑，使之更加靈活。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)身體-魚(yú)鰭類(lèi)Body and Caudal Fin，BCF仿魚(yú)機(jī)器人的設(shè)計(jì)大多采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為魚(yú)尾的主要結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)各向同性和將解耦中心設(shè)置在月牙形尾鰭上。但是這種結(jié)構(gòu)不能滿足機(jī)器魚(yú)在水中運(yùn)動(dòng)的靈活性，轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，而且難以根據(jù)魚(yú)的游動(dòng)速度調(diào)節(jié)魚(yú)尾的剛度，推進(jìn)效率沒(méi)有真魚(yú)高，需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上不足之處，本發(fā)明提供了一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，更加貼近魚(yú)體的真實(shí)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，包括魚(yú)頭部、魚(yú)體和尾鰭，魚(yú)頭部和魚(yú)體外部包裹有蒙皮，魚(yú)頭部?jī)?nèi)安裝有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元；所述魚(yú)體包括四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉和嵌套式串并聯(lián)單元，嵌套式串并聯(lián)單元作為仿生魚(yú)的脊柱和骨架，四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉分別位于嵌套式串并聯(lián)單元內(nèi)部，每個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉的前端與魚(yú)頭部連接，其末端通過(guò)剛性固定件與尾鰭連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元分別與嵌套式串并聯(lián)單元和四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，或改變平均壓強(qiáng)使得魚(yú)體的末尾部剛度發(fā)生變化。

本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：如上所述的嵌套式串并聯(lián)單元包括左、右氣動(dòng)肌肉、多層直徑逐漸縮小的前斜韌帶環(huán)、多根柔性桿、多根牽引繩、中心剛性桿件、多根單支撐桿、多根雙支撐桿和多個(gè)定滑輪；嵌套式串并聯(lián)單元前端兩側(cè)鏡像安裝有左、右氣動(dòng)肌肉，多根柔性桿之間通過(guò)球鉸互相依次連接，最后一根柔性桿末端與中心剛性桿件通過(guò)球鉸相連接；每根單支撐桿和每根雙支撐桿的一端連接于其相對(duì)應(yīng)的前斜韌帶環(huán)上，每根單支撐桿和每根雙支撐桿的另一端連接于相對(duì)應(yīng)的柔性桿上，每層前斜韌帶環(huán)的圓周方向上平均間隔交錯(cuò)排列有兩根單支撐桿和兩根雙支撐桿，每個(gè)定滑輪固定連接于每根雙支撐桿和其在各層前斜韌帶環(huán)的連接處、雙支撐桿內(nèi)的間隙上；一側(cè)的第n根牽引繩一端與該側(cè)的氣動(dòng)肌肉相連接，另一端穿過(guò)第n-1層前斜韌帶環(huán)并繞過(guò)第n層前斜韌帶環(huán)的該側(cè)定滑輪后與第n+3根柔性桿相連接，一側(cè)的最下面三根牽引繩另一端則與中心剛性桿件該側(cè)相連接；氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)改變左、右氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，從而帶動(dòng)牽引繩牽引多根柔性桿和中心剛性桿件來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體小幅度的擺動(dòng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：更加貼近魚(yú)體的真實(shí)結(jié)構(gòu)，可以完成更多的姿態(tài)變化，更加靈活；可以根據(jù)游動(dòng)速度調(diào)節(jié)尾部剛度，更加節(jié)能、高效。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的嵌套式串并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的嵌套式串并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)局部示意圖；

圖4是本發(fā)明的尾部連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的氣動(dòng)動(dòng)力控制單元結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明的排氣閥部分與其相鄰管道在吸氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖；

圖7是本發(fā)明的吸氣管在吸氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖；

圖8是本發(fā)明的排氣閥部分與其相鄰管道在排氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖；

圖9是本發(fā)明的吸氣管在排氣時(shí)氣流流動(dòng)方向圖。

其中，1、內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉，2、魚(yú)體，3、尾鰭，4、左、右氣動(dòng)肌肉，5、前斜韌帶環(huán)，6、柔性桿，7、牽引繩，8、中心剛性桿件，9、單支撐桿，10、雙支撐桿，11、定滑輪，12、剛性固定件，13、吸氣管，14、分流器，15、輸氣管，16、排氣閥，17、比例控制閥，18、機(jī)械校準(zhǔn)器，19、儲(chǔ)氣罐。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1-4所示，一種基于內(nèi)部流體壓力調(diào)節(jié)的變剛度柔性仿生魚(yú)模型，包括魚(yú)頭部、魚(yú)體2和尾鰭3，魚(yú)頭部和魚(yú)體外部包裹有蒙皮，魚(yú)頭部?jī)?nèi)安裝有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元；所述魚(yú)體包括四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉1和嵌套式串并聯(lián)單元，嵌套式串并聯(lián)單元作為仿生魚(yú)的脊柱和骨架，四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉1分別位于嵌套式串并聯(lián)單元內(nèi)部，每個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉1的前端與魚(yú)頭部連接，其末端通過(guò)剛性固定件與尾鰭連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元分別與嵌套式串并聯(lián)單元和四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉連接，氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，或改變平均壓強(qiáng)使得魚(yú)體的末尾部剛度發(fā)生變化。

所述的嵌套式串并聯(lián)單元包括左、右氣動(dòng)肌肉4、7層直徑逐漸縮小的前斜韌帶環(huán)5、14根柔性桿6、多根牽引繩7、中心剛性桿件8、14根單支撐桿9、14根雙支撐桿10和14個(gè)定滑輪11；嵌套式串并聯(lián)單元前端兩側(cè)鏡像安裝有左、右氣動(dòng)肌肉4，7根柔性桿6之間通過(guò)球鉸互相依次連接，最后一根柔性桿末端與中心剛性桿件8通過(guò)球鉸相連接；每根單支撐桿9和每根雙支撐桿10的一端連接于其相對(duì)應(yīng)的前斜韌帶環(huán)5上，每根單支撐桿9和每根雙支撐桿10的另一端連接于相對(duì)應(yīng)的柔性桿6上，每層前斜韌帶環(huán)5的圓周方向上平均間隔交錯(cuò)排列有兩根單支撐桿9和兩根雙支撐桿10，每個(gè)定滑輪11固定連接于每根雙支撐桿10和其在各層前斜韌帶環(huán)5的連接處、雙支撐桿內(nèi)的間隙上；一側(cè)的第2根牽引繩7一端與該側(cè)氣動(dòng)肌肉相連接，另一端穿過(guò)第1層前斜韌帶環(huán)5并繞過(guò)第2層前斜韌帶環(huán)5的該側(cè)定滑輪11后與第4根柔性桿6相連接，一側(cè)的最下面三根牽引繩7另一端則與中心剛性桿件8的該側(cè)相連接；依次第3根牽引繩一端與該側(cè)氣動(dòng)肌肉相連接另一端穿過(guò)第2層前斜韌帶環(huán)，一直到第7根(第1根牽引繩在之前沒(méi)有前斜韌帶，另一側(cè)對(duì)稱(chēng)分布)。

氣動(dòng)動(dòng)力控制單元通過(guò)改變左、右氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓強(qiáng)，從而帶動(dòng)牽引繩7牽引多根柔性桿和中心剛性桿件8來(lái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體小幅度的擺動(dòng)。

當(dāng)左氣動(dòng)肌肉收縮時(shí)，右氣動(dòng)肌肉相對(duì)地被拉伸相應(yīng)的長(zhǎng)度。工作時(shí)，一側(cè)的水平氣動(dòng)肌肉收縮，牽動(dòng)各環(huán)節(jié)的牽引線，使得整個(gè)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)向收縮的一側(cè)擺動(dòng)，帶動(dòng)尾鰭，推動(dòng)水，受到反作用力從而向前游動(dòng)。

本實(shí)施例改變魚(yú)體剛度與做出快速轉(zhuǎn)向、逃逸、高速巡航等多種動(dòng)作的關(guān)鍵，是根據(jù)鯖魚(yú)類(lèi)解刨結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)得來(lái)的。將四根內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉與傳動(dòng)環(huán)節(jié)一道用來(lái)連接頭部和尾鰭，內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉填充在串并聯(lián)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的空隙中，當(dāng)其內(nèi)部充入氣體時(shí)，對(duì)整個(gè)尾部的剛度產(chǎn)生影響。錐形氣動(dòng)肌肉的平均壓強(qiáng)越大，尾部剛度越大。從而達(dá)到控制尾部剛度的目的。另外，由于四個(gè)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉的壓強(qiáng)不同，各自的伸縮量不同，魚(yú)尾會(huì)呈現(xiàn)不同姿態(tài)，進(jìn)而完成快速轉(zhuǎn)向、逃逸、高速巡航等多種動(dòng)作。

工作時(shí)分一般游動(dòng)和特殊游動(dòng)。前者由左、右氣動(dòng)肌肉牽動(dòng)的尾部擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)，后者則通過(guò)內(nèi)部錐形氣動(dòng)肌肉的伸縮完成。

實(shí)施例2

如圖1、4所示，本實(shí)施例包括魚(yú)頭部、魚(yú)體和尾部三部分。魚(yú)體是主要的運(yùn)動(dòng)部分。尾部，作為末端執(zhí)行器，是硬質(zhì)塑料材質(zhì)的月牙片，幾何參數(shù)的選取盡可能貼近現(xiàn)實(shí)中魚(yú)尾鰭的尺寸。剛性固定件12一端與錐形氣動(dòng)肌肉1相連接，剛性固定件12另一端與月牙形塑料板3相連接。

如圖5-7所示，魚(yú)頭部?jī)?nèi)有氣動(dòng)動(dòng)力控制單元，作為整條魚(yú)的動(dòng)力源，包括電源、吸氣管，分流器，輸氣管，排氣閥，比例控制閥，機(jī)械校準(zhǔn)器，儲(chǔ)氣罐。結(jié)構(gòu)參考2014年1月公開(kāi)的，Andrew D.Marchese等人的文章“Autonomous Soft Robotic Fish Capable of Escape Maneuvers Using Fluidic Elastomer Actuators”DOI：10.1089中機(jī)器魚(yú)的氣動(dòng)元件排布。儲(chǔ)氣罐19的出氣口周邊有螺紋，可以與機(jī)械校準(zhǔn)器18水平側(cè)的進(jìn)氣口進(jìn)行連接，擰緊，實(shí)現(xiàn)功能和位置的雙重連接。機(jī)械校準(zhǔn)器18在上方的出氣口和比例控制閥17的下方的進(jìn)氣口對(duì)應(yīng)用氣管連接，并確保氣密性，防止在工作中出現(xiàn)干擾，然后用螺栓將兩者重合面緊固，防止在工作時(shí)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。排氣閥16的進(jìn)氣口周邊有螺紋，與比例控制閥17水平方向上的6個(gè)出氣口連接，擰緊。比例控制閥17和分流器14用氣管連接，再用螺栓將重合面緊固。而分流器14與一端有螺紋的吸氣管13、輸氣管15連接，擰緊。吸氣時(shí)，吸氣管不工作，排氣閥排出從氣動(dòng)人工肌肉處吸收過(guò)來(lái)的多與氣體；出氣時(shí)，吸氣管吸收頭部的游離氣體，由之前吸氣時(shí)排氣閥排出，防止頭部因?yàn)閮?nèi)氣壓過(guò)大而破壞蒙皮。